基于GPRS無(wú)線技術(shù)的架空電力線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯基于GPRS無(wú)線技術(shù)的架空電力線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)-基礎(chǔ)電子摘要：簡(jiǎn)述了GPRS無(wú)線業(yè)務(wù)特點(diǎn)，然后重點(diǎn)講述了基于GPRS的架空電力線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、原理以及軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明GPRS技術(shù)非常適用于要求實(shí)時(shí)性的、大數(shù)據(jù)量傳送的應(yīng)用場(chǎng)合。

1前言

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，架空電力線路正逐漸考慮采用無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)架空電力線路的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。相比人工方式，無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省了大量的人力物力，可以隨時(shí)抽測(cè)架空電力線路的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)架空電力線路的實(shí)時(shí)控制等，真正的體現(xiàn)了智能化管理。

目前，無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送模式大多采用以下三種方式：集群電臺(tái)、短消息（SM）、GPRS模式。考慮到所開(kāi)發(fā)的架空電力線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所應(yīng)用的環(huán)境、數(shù)據(jù)特點(diǎn)和生命周期，我們采用GPRS模式。因?yàn)镚PRS是一項(xiàng)新興出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)，費(fèi)用低，數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，穩(wěn)定可靠；同時(shí)利用現(xiàn)有的GSM基站系統(tǒng)，不需組建自己的網(wǎng)絡(luò)，大大節(jié)省了組網(wǎng)成本。

2基于GPRS的架空電力線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)組成

整個(gè)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)、外部數(shù)據(jù)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器四部分組成。其結(jié)構(gòu)組成平面圖如下圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端通過(guò)通信模塊（GPRS模塊）把傳送數(shù)據(jù)分組，無(wú)線送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)由外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，以TCP/IP傳輸協(xié)議送到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器上；監(jiān)測(cè)中心也可以反向傳送各種指令到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，控制終端的運(yùn)行。外部數(shù)據(jù)網(wǎng)可以是因特網(wǎng)或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)網(wǎng)，但必須都以TCP/IP傳輸協(xié)議為基礎(chǔ)。監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器以光纖專線或ISDN的方式接入到外部數(shù)據(jù)網(wǎng)中，分配有1個(gè)固定IP地址。

3.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括數(shù)據(jù)采集傳送、故障報(bào)警、實(shí)時(shí)控制和采集數(shù)據(jù)處理。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、電力線振動(dòng)等8項(xiàng)數(shù)據(jù)后，并根據(jù)中心命令實(shí)時(shí)上傳。監(jiān)測(cè)中心收到采集數(shù)據(jù)后，繪出架空電力線路一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的曲線圖，供技術(shù)人員分析架空電力線路運(yùn)行狀況。在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障（包括現(xiàn)場(chǎng)溫度過(guò)高、瞬時(shí)風(fēng)速太大、通訊不暢）的情況下，監(jiān)測(cè)終端也能夠?qū)崟r(shí)上傳故障信息。

3.3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端組成及原理

（1）監(jiān)測(cè)終端硬件組成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端的硬件結(jié)構(gòu)連接如圖3所示，主要由通信模塊（GPRS模塊）、外部存儲(chǔ)器（FLASH）、傳感器、電源和MCU（微處理器）組成。下面具體介紹各部分功能。

通信模塊通信模塊即GPRS模塊，采用MOTOROLA公司提供的WAVECOM模塊。它是一個(gè)完整的手機(jī)模塊，屬于移動(dòng)設(shè)備端，負(fù)責(zé)和GSM、GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信令交換。通過(guò)串口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括短信息和GPRS等。該模塊需要一張開(kāi)通GPRS業(yè)務(wù)的SIM卡，和它配套使用。

存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器采用FLASH型存儲(chǔ)器，保存一些重要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后是不能丟失的。主要存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)中心IP和端口號(hào)、口令、采集數(shù)據(jù)等。它與MCU之間采用地址總線和數(shù)據(jù)總線復(fù)用的方式，中間加地址鎖存器，來(lái)鎖定低8位地址。

傳感器

本系統(tǒng)采用了3個(gè)傳感器，來(lái)完成對(duì)架空電力線路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。其中，溫度傳感器和風(fēng)速/風(fēng)向傳感器分別用于測(cè)量架空電力線路上的溫度和周圍環(huán)境中的風(fēng)速/風(fēng)向信息；振動(dòng)傳感器用于測(cè)量架空電力線路上的振動(dòng)信號(hào)。它采用CAN總線通信模式，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器和MCU的串口相連，數(shù)據(jù)更新時(shí)間為15分鐘。

電源

電源是采用太陽(yáng)能電池并加以備用的鋰電池，電源部分通過(guò)加一些必要的濾波及電壓轉(zhuǎn)化電路，來(lái)終輸出24V、12V和5V的3組直流電，供各個(gè)傳感器和MCU等部件使用。

MCU

MCU采用INTEL公司生產(chǎn)的PXA25532位控制處理器。該芯片具有功能強(qiáng)大、集成度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，不僅能夠滿足終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，而且也非常適合于架空電力線路這種惡劣環(huán)境。在此系統(tǒng)中我們主要應(yīng)用該芯片的如下功能；

首先，是它的一個(gè)硬件串口。這個(gè)串口分別以定時(shí)器2作為波特率發(fā)生器，波特率為9600，工作模式采用8位數(shù)據(jù)位、無(wú)校驗(yàn)位模式。這個(gè)串口分別與WACECOM模塊進(jìn)行通信。程序中接收數(shù)據(jù)采用中斷方式。其次，應(yīng)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0.該模數(shù)轉(zhuǎn)換器有8路信號(hào)輸入通道，由一個(gè)可配置模擬多路開(kāi)關(guān)，來(lái)控制選通每一路信號(hào)。

系統(tǒng)采用它的三個(gè)模擬輸入通道，AIN0通道接溫度傳感器輸出端，AIN1通道接風(fēng)速/風(fēng)向傳感器輸出端，AIN2通道接振動(dòng)傳感器輸出端，這三個(gè)通道采用交替選通的工作方式。模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出選用12位有效輸出，由定時(shí)器3溢出來(lái)啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換。程序在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷程序中，接收采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

（2）軟件控制部分

由于硬件采用的都是大規(guī)模、高集成度的芯片和模塊，使得硬件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單和通用，所以該終端的大部分工作都集中到軟件上。下面主要對(duì)其中的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)采集傳送部分作一介紹。

1）GPRS網(wǎng)絡(luò)連接

我們終目的是要把數(shù)據(jù)送到網(wǎng)絡(luò)中，并要接收網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。因此，在此之前，為關(guān)鍵的工作就是要使監(jiān)測(cè)終端無(wú)線接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)功能是由GPRS模塊來(lái)完成的。在使用GPRS模塊之前，首先需要對(duì)GPRS模塊進(jìn)行初始化，包括設(shè)定它的工作模式、外部接入點(diǎn)和使用的協(xié)議類型等。

然后，就可以發(fā)送ATD撥號(hào)命令進(jìn)行GPRS網(wǎng)絡(luò)連接了。撥號(hào)連接過(guò)程和PC機(jī)撥號(hào)接入INTERNET一樣，遵循PPP(PointtoPointProtocol)協(xié)議，要經(jīng)過(guò)一系列握手協(xié)議操作。PPP協(xié)議的幀格式如表1所示。

標(biāo)識(shí)0x7E用于幀同步，指示一幀的開(kāi)始，在兩幀之間只需一個(gè)該標(biāo)識(shí)即可。地址位0XFF定義了“所有站”地址，要求所有的接收端都要接收。控制域?yàn)橐粋€(gè)字節(jié)，值為3，其它值無(wú)效，會(huì)被丟棄。協(xié)議域指定協(xié)議的類型，一般為兩個(gè)字節(jié)，如采用壓縮協(xié)議，則可以為一個(gè)字節(jié)。FCS校驗(yàn)采用16位方式，也可以是32位，如果傳輸中FCS校驗(yàn)不正確，該幀數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)丟棄。

2）數(shù)據(jù)采集傳送過(guò)程

數(shù)據(jù)采集主要是指架空電力線路運(yùn)行中的一個(gè)采集周期內(nèi)，溫度傳感器、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器、振動(dòng)傳感器輸出的AD轉(zhuǎn)換值。所有的參量采集完畢后，總數(shù)據(jù)量為10K左右。

數(shù)據(jù)采集完畢后，要傳送到監(jiān)測(cè)中心。由于各項(xiàng)參量數(shù)據(jù)不是獨(dú)立傳送的，所以首先要采用TLV(標(biāo)識(shí)、長(zhǎng)度、數(shù)據(jù))的格式對(duì)所有的數(shù)據(jù)按順序進(jìn)行編碼打包。然后，再以固定的長(zhǎng)度對(duì)打包好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，分塊的目的是保證每次送入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度適中，易于網(wǎng)絡(luò)傳輸。之后再調(diào)用數(shù)據(jù)傳輸子程序把每塊數(shù)據(jù)順序發(fā)送出去。

在數(shù)據(jù)傳輸子程序中，原始數(shù)據(jù)塊依次由應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳送命令報(bào)文、傳輸層UDP包、網(wǎng)絡(luò)層IP包和鏈路層PPP幀報(bào)文進(jìn)行封裝，然后送入WAVECOM模塊，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。傳輸層采用了UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)協(xié)議，該協(xié)議是一種面向無(wú)連接的傳輸協(xié)議，其本身沒(méi)有應(yīng)答機(jī)制和命令重發(fā)機(jī)制，屬于小的、節(jié)約資源的傳輸層協(xié)議，傳輸速度快。而我們?cè)趹?yīng)用層采用了應(yīng)答和重發(fā)機(jī)制，所以可以確保數(shù)據(jù)被收到。網(wǎng)絡(luò)層則采用IP協(xié)議，IP頭里包含了本機(jī)IP地址和監(jiān)測(cè)中心IP地址